形状记忆合金原理幻灯片.ppt

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1、形状记忆合金原理第1页，共16页，编辑于2022年，星期六现阶段记忆合金工作流程：现阶段记忆合金工作流程：BA某种条件回到初始环境第2页，共16页，编辑于2022年，星期六是否存在这种合金：BCA或或者者在在某某种种条条件件下下，合合金金形形状状只只是是环环境境参参数数的的状状态态函函数数？第3页，共16页，编辑于2022年，星期六形成条件：从记忆合金的工作状况中，可看出形成记忆合金的以下两个条件。从记忆合金的工作状况中，可看出形成记忆合金的以下两个条件。1、形状改变是可逆或半可逆的2、环境的改变能引起形状的改变第4页，共16页，编辑于2022年，星期六现已知满足以上条件的合金都有一个很大的特

2、点其马氏体相变是热弹性的。其工作形式如下：马氏体马氏体母相母相淬火或冷却、施加外应力淬火或冷却、施加外应力升温到马氏体转变温度以上升温到马氏体转变温度以上为什么它们具有这样的性质呢？为什么它们具有这样的性质呢？下面我们就进入本节主题下面我们就进入本节主题第5页，共16页，编辑于2022年，星期六基础知识：基础知识：（提问）（提问）（提问）（提问）1 1、马马马马氏氏氏氏体体体体相相相相变变变变是是是是一一一一种种种种非非非非扩扩扩扩散散散散型型型型转转转转变变变变，母母母母相相相相向向向向马马马马氏氏氏氏体体体体转转转转变变变变，可可可可理解为原子排列面的切应变。理解为原子排列面的切应变。理解

3、为原子排列面的切应变。理解为原子排列面的切应变。2 2、以以Cu-ZnCu-Zn合合金金为为例例，合合金金相相变变时时围围绕绕母母相相的的一一个个特特定定位位向向常常形形成成四四种种自自适适应应的的马马氏氏体体变变体体，其其惯惯习习面面以以母母相相的的该该方方向向对对称称排排列列。四四四四种种种种变变变变体体体体合合合合称称称称为为为为一一一一个个个个马马马马氏氏氏氏体体体体片片片片群群群群，如如如如图图图图3-1。图图3-1 3-1 一个马氏体片群一个马氏体片群(a)(a)实线：孪晶界及变体之间的界实线：孪晶界及变体之间的界 面。面。虚线：基准面；虚线：基准面；(b)(b)在在 标准投影图中

4、，四个变体的惯标准投影图中，四个变体的惯习面法线的位置习面法线的位置 第6页，共16页，编辑于2022年，星期六 通通常常的的形形状状记记忆忆合合金金根根据据马马氏氏体体与与母母相相的的晶晶体体学学关关系系，共共有有六六个个这这样样的的片片群群，形形成成24种种马马氏氏体体变变体体。每每个个马马氏氏体体片片群群中中的的各各个个变变体体的的位位向向不不同同，有有各各自自不不同同的的应应变变方方向向。每每个个马马氏氏体体形形成成时时，在在周周围围基基体体中中造造成成了了一一定定方方向向的的应应力力场场，使使沿沿这这个个方方向向上上变变体体长长大大越越来来越越困困难难，如如果果有有另另一一个个马马氏

5、氏体体变变体体在在此此应应力力场场中中形形成成，它它当当然然取取阻阻力力小小、能能量量低低的的方方向向，以以降降低低总总应应变变能能。由由四四种种变变体体组组成成的的片片群群总总应应变变几几乎乎为为零零，这就是马氏体相变的这就是马氏体相变的自适应现象。自适应现象。第7页，共16页，编辑于2022年，星期六 如如图图3-2所所示示，记记忆忆合合金金的的24个个变变体体组组成成六六个个片片群群及及其其晶晶体体学学关关系系，惯惯习习面面绕绕6个个110分分布布，形形成成6个片群。个片群。图图3-2 24个自适应马氏体变体个自适应马氏体变体 第8页，共16页，编辑于2022年，星期六原理：原理：原理原

6、理1：马氏体马氏体母相母相降温、施加外应力降温、施加外应力升温到马氏体转变温度以上升温到马氏体转变温度以上 合金在单向外力作用下，其中马氏体顺应力方向发生再合金在单向外力作用下，其中马氏体顺应力方向发生再合金在单向外力作用下，其中马氏体顺应力方向发生再合金在单向外力作用下，其中马氏体顺应力方向发生再取向，造成马氏体的择优取向。当大部分或全部的马氏体取向，造成马氏体的择优取向。当大部分或全部的马氏体取向，造成马氏体的择优取向。当大部分或全部的马氏体取向，造成马氏体的择优取向。当大部分或全部的马氏体都采取个取向时，整个材料在宏观上表现为形变。都采取个取向时，整个材料在宏观上表现为形变。都采取个取向

7、时，整个材料在宏观上表现为形变。都采取个取向时，整个材料在宏观上表现为形变。原理原理2马氏体马氏体母相母相第9页，共16页，编辑于2022年，星期六 将将变变形形马马氏氏体体加加热热到到As点点以以上上，马马氏氏体体发发生生逆逆转转变变，因因为为马马氏氏体体晶晶体体的的对对称称性性低低，转转变变为为母母相相时时只只形形成成几几个个位位向向，甚甚至至只只有有一一个个位位向向母母相相原原来来的的位位向向。尤尤其其当当母母相相为为长长程程有有序序时时，更更是是如如此此。当当自自适适应应马马氏氏体体片片群群中中不不同同变变体体存存在在强强的的力力学学偶偶时时，形形成成单单一一位位向向的的母母相相倾倾向

8、向更更大大。逆逆转转变变完完成成后后，便便完完全全回回复复了了原原来来母母相相的的晶晶体体，宏宏观变形也完全恢复。观变形也完全恢复。第10页，共16页，编辑于2022年，星期六注意：注意：以上原理只适合热弹性，而半热弹性记忆合金主以上原理只适合热弹性，而半热弹性记忆合金主要是由要是由Shockley不全位错的可逆移动引起。不全位错的可逆移动引起。母相奥氏体为面心立方结构，马氏体为密排母相奥氏体为面心立方结构，马氏体为密排六方结构。由于层错能低，母相中存在大量六方结构。由于层错能低，母相中存在大量层错，马氏体依靠层错行核。层错，马氏体依靠层错行核。马氏体马氏体母相母相奥氏体奥氏体施加外应力，产生

9、施加外应力，产生Shockley不全位错不全位错升温升温Shockley不全位错沿反向收缩不全位错沿反向收缩第11页，共16页，编辑于2022年，星期六图图3-3 形状记忆效应的三种形式形状记忆效应的三种形式变变形形的的三三种种形形式式第12页，共16页，编辑于2022年，星期六Question：F上述弹簧是否属于记忆合金？上述弹簧是否属于记忆合金？第13页，共16页，编辑于2022年，星期六补充知识：补充知识：马氏体最初是在钢中发现的：将钢加热到一定温度后经迅速冷却，得到的能使钢变硬、增强的一种淬火组织。马氏体最初是在钢中发现的：将钢加热到一定温度后经迅速冷却，得到的能使钢变硬、增强的一种淬

10、火组织。1895年法国人奥斯蒙为纪念年法国人奥斯蒙为纪念德国德国冶金学家冶金学家马滕斯马滕斯，把这种组织命名为马氏体。人们最早只把钢中，把这种组织命名为马氏体。人们最早只把钢中由奥氏体转变为马氏体的相变称为马氏体相变。由奥氏体转变为马氏体的相变称为马氏体相变。20世纪以来，对钢中马氏体相变的特征累积了世纪以来，对钢中马氏体相变的特征累积了较多的知识，又相继发现在某些纯金属和合金中也具有马氏体相变较多的知识，又相继发现在某些纯金属和合金中也具有马氏体相变,如如:Ce、Co、Hf、Hg、La、Li、Ti、Tl、Pu、V、Zr、和、和Ag-Cd、Ag-Zn、Au-Cd、Au-Mn、Cu-Al、Cu-

11、Sn、Cu-Zn、In-Tl、Ti-Ni等。目前广泛地把基本特征属马氏体相变型的相变产物统称为马氏体。等。目前广泛地把基本特征属马氏体相变型的相变产物统称为马氏体。相变特征和机制相变特征和机制马氏体相变马氏体相变1具有热效应和体积效应，相变过程是形核和长大的过程。但核心如何形成，又如何长大，目前尚无完整的模型。马氏体长大速率一般较大，有的甚至高达10cms。人们推想母相中的晶体缺陷（如位错）的组态对马氏体形核具有影响，但目前实验技术还无法观察到相界面上位错的组态，因此对马氏体相变的过程，尚不能窥其全貌。其特征可概括如下：马氏体相变是无扩散相变之一，相变时没有穿越界面的原子无规行走或顺序跳跃，因

12、而新相（马氏体）承袭了母相的化学成分、原子序态和晶体缺陷。马氏体相变时原子有规则地保持其相邻原子间的相对关系进行位移,这种位移是切变式的原子位移的结果产生点阵应变(或形变)。这种切变位移不但使母相点阵结构改变，而且产生宏观的形状改变。第14页，共16页，编辑于2022年，星期六马氏体相变时在一定的母相面上形成新相马氏体，这个面称为惯习惯习（析）面（析）面，它往往不是简单的指数面，如镍钢中马氏体在奥氏体()的135上最先形成（图7）。马氏体形成时和母相 的界面上存在大的应变。马氏体相变具有可逆性。当母相冷却时在一定温度开始转变为马氏体，把这温度 标作Ms,加热时马氏体逆变为母相，开始逆变的温度标为As。它们所包围的面积称为热滞面积,相变时的协作形变为范性形变时，一般热滞较大；而为弹性形变时,热滞很小。像Au-Cd这类合金冷却时马氏体长大、增多，一经加热又立即收缩，甚至消失。因此这类合金的马氏体相变具有热弹性，称为热弹性马氏体相变。第15页，共16页，编辑于2022年，星期六Thank you！制作人：化茧成蝶2012.3.10第16页，共16页，编辑于2022年，星期六